采煤沉陷區高壓架空桿塔傾斜在線監測系統設計

王準濤，王新偉，王 斌，陳勇建

（河南崤函電力供應有限責任公司，河南 三門峽 472300）

采煤沉陷區造成的地質災害對高壓架空輸電線桿塔的安全運行形成了嚴重威脅。河南能源化工集團義煤公司礦區是中國重要的能源化工基地，近年，由地質沉陷區引起的高壓桿塔傾斜帶來的垂弧、絕緣擊穿等故障時有發生，導致礦區供電異常，嚴重時還會導致系統崩潰，最終帶來嚴重的經濟損失和安全事故。

本系統針對采煤沉陷區或者地質構造不穩定地區高壓輸電桿塔易發生傾斜和地基沉降，而人工巡檢工作量大且無法及時發現故障隱患的現狀，開發了一套高壓桿塔傾斜在線監測系統，能夠實時采集、無線傳輸桿塔傾斜、風速、風向等參數，并據此進行趨勢分析和故障預警，對于保障電網安全供電、降低運維人員勞動強度具有重要意義。

由于一軸加速度傳感器無法測量全擺幅，兩軸傳感器雖然能夠測量全擺幅，但精度有限，因此本論文采用三軸傳感器[1-2]測量傾斜角度。

1 傾斜在線監測系統硬件設計

1.1 傾斜傳感裝置

高精度傾斜傳感裝置由三軸加速傾斜傳感器、信號處理電路、主控單元、信號收發和電源五部分模塊組成，各電路模塊之間的硬件框圖，如圖1所示。

圖1 高精度傳感裝置硬件框圖

1.2 數據傳輸裝置

根據對系統采集傳輸數據的需求分析，本模塊設計實現了基于NB-IoT數據傳輸的低功耗終端系統，終端模組采用TI公司的低功耗TMS320F2812芯片作為主控芯片，Quectel公司的BC95模塊作為收發數據的NB-IoT通信模塊。基于窄帶物聯網前端硬件設計總體結構如圖2所示。

圖2 總體結構

1.3 傾斜在線監測整體系統

高壓桿塔傾斜監測預測系統采用先進智能的信號采集、網絡通信等技術，結合傳感器技術、電子測量技術、智能數據分析技術，對輸電桿塔安全信息進行實時監測，并根據數據分析及時做出預警和告警。系統兼具智能化、云模式、高精度等多重優勢。對超標桿塔狀況及時進行預警，指導檢修和維護，提醒運行維護人員加固地基，防止倒塔事故發生。

高精度傾斜傳感裝置內部的傾斜傳感模塊用來檢測桿塔的傾斜度，而模塊的主控單元用來進行高精度裝置設備控制，并將桿塔傾斜數據通過高精度傾斜傳感裝置中的信號處理電路實現數據信息的發送與轉換，然后通過485通信方式，將傾斜數據信息傳給前端數據采集裝置，最終由數據采集裝置采用窄帶物聯網技術（NB-IoT），上傳到云端后臺系統，系統總體結構圖如圖3所示。

圖3 系統整體結構

2 實驗分析

設計的采煤沉陷區高壓架空桿塔傾斜在線監測系統的高精度傾斜傳感裝置在實驗室的測試過程中，可以實現傾斜角度的高精度測量，同時實現系統的預警、報警功能，目前該系統已取得傾斜校準計量證書。現已在河南能源化工集團義煤公司位于采煤沉陷區的部分輸電桿塔上進行了現場安裝測試，如圖4～6所示。

圖4 傳感器單元

圖5 供電單元

圖6 后臺系統

經過現場的安裝與測試，采空區高壓架空桿塔傾斜監測預警系統得到的現場數據如圖7所示，由于人工安裝存在一定的誤差，安裝后系統云端后臺顯示的初始數據為傾斜0°2'57"，東4°15'45"，經過系統后臺預留功能“置零”后，數據如圖8所示，此時系統云端后臺顯示的初始數據為傾斜北0°0'0"，東0°0'0"。由于采空區高壓架空桿塔的傾斜是一個長時間積累的過程，在20天的觀察下桿塔傾斜情況如圖9所示，此時系統云端后臺顯示的初始數據為傾斜北0°1'14"，西0°5'18"。

圖7 現場安裝后數據

圖8 系統置零后數據

圖9 目前桿塔傾斜數據

圖8表明桿塔在南和西方位已經產生了偏南0°1'14"，偏西0°3'17"的傾斜角度，由此我們可以看出該桿塔確實已經發生了約5'的傾斜，同時也表明了位于采空區高壓架空桿塔安裝傾斜在線監測預警系統的必要性。

3 結束語

為了實現實時高精度測量采煤沉陷區高壓架空輸電桿塔的傾斜角度，本文設計了采空區高壓架空桿塔傾斜監測預警系統，在經過實驗室以及現場的工業性實驗后，均表明該系統能正常實現傾斜角度的實時測量，同時采取無動作、預警或報警功能，完全能夠滿足礦區高壓架空桿塔傾斜角度測量的要求；滿足礦區安全供電的要求，實現礦區的安全生產。